2020-2021学年高二物理教科版选修3-4学案：5.1-光的干涉-Word版含解析.docx

学案1　光的干涉
[学习目标定位]　1.知道什么是相干光及光产生干涉现象的条件.2.观看光的干涉现象，生疏干涉条纹的特点.3.理解双缝试验中明、暗条纹的位置特点.4.了解薄膜干涉现象，知道薄膜干涉条纹的特点．

波的干涉：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔，这种现象叫波的干涉．

1．1801年，英国物理学家托马斯·杨在试验室里成功地观看到了光的干涉．
2．如图1，让一束单色光投射到一个有两条狭缝S1和S2的挡板上，狭缝S1和S2相距很近，狭缝就成了两个波源，它们的频率、相位和振动方向总是相同的，这两个波源发出的光在挡板后面的空间相互叠加，发生干涉现象，挡板后面的屏上得到明暗相间的条纹．

图1
3．明暗条纹位置的推断方法
当光从两狭缝到屏上某点的路程差为半波长的偶数倍(即波长λ的整数倍)时，光在这点相互加强，这里消灭明条纹；当路程差为半波长的奇数倍时，光在这点相互减弱，这里消灭暗条纹．

一、双缝干涉
[问题设计]
如图2所示，机械波可以产生波的干涉现象，形成稳定的干涉图样；假如我们先假设光是一种波，那么依据我们所学的波动学问，光要发生干涉现象需要满足什么条件？

图2
答案　两光源必需有相同的频率，即两光源为相干光．
[要点提炼]
1．杨氏双缝干涉试验：

图3
(1)双缝干涉的装置示意图
试验装置如图3所示，有光源、单缝、双缝和光屏．
(2)单缝屏的作用：获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动状况．也可用激光直接照射双缝．
(3)双缝屏的作用：平行光照射到单缝S上，后又照射到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同且振动状况完全全都的相干光．
(4)试验现象：①若用单色光作光源，干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹．
②若用白光作光源，则干涉条纹是彩色条纹，且中心条纹是白色的．
(5)试验结论：光是一种波．
2．光产生干涉的条件：两列光的频率相同、相位相同、振动方向相同．杨氏双缝干涉试验是靠“一分为二”的方法获得两个相干光源的．
二、明暗条纹位置的推断方法
[问题设计]
机械波发生干涉现象时，形成的图样有什么特点？光发生干涉现象时为什么会消灭明暗相间的条纹？
答案　机械波的干涉图样的特点是：振动加强区和减弱区相互间隔，其分布不变．
光发生干涉现象时，振动加强区和振动减弱区也会交替分布．反映在屏上，振动加强区，光能量较强——亮；振动减弱区，光能量较弱——暗，即得到明暗相间的干涉条纹．
[要点提炼]
屏上某处消灭亮、暗条纹的条件
1．消灭亮条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半波长的偶数倍．即：
|PS1－PS2|＝kλ＝2k·(k＝0,1,2,3，…)
(k＝0时，PS1＝PS2，此时P点位于屏上的O处，为亮条纹，此处的条纹叫中心亮条纹或零级亮条纹．k为亮条纹的级数．)
2．消灭暗条纹的条件：屏上某点P到两条缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍．即：
|PS1－PS2|＝(2k－1)·(k＝1,2,3，…)
(k为暗条纹的级数，从第1级暗条纹开头向两侧开放)．
二、薄膜干涉
[问题设计] 1．在酒精灯的灯芯上撒一些食盐，灯焰就能发出光明的黄光．把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜．把这层液膜当做一个平面镜，用它观看灯焰的像如图4所示．这个像与直接看到的灯焰有什么不同？假如用白光做试验状况又会如何？

图4
答案　灯焰的像由明暗相间的水平条纹组成．假如用白光做试验，肥皂膜上会消灭彩色水平条纹．
2．大路积水上的油膜呈现彩色图样，这是光的什么现象？
答案　光在积水上的油膜上发生了薄膜干涉．
[要点提炼]
1．薄膜干涉的原理
光照在厚度不同的薄膜上时，在薄膜的不同位置，前后两个面的反射光的路程差等于膜厚度的2倍，在某些位置，两列波叠加后相互加强，于是消灭亮条纹；在另一些位置，叠加后相互减弱，于是消灭暗条纹．
2．薄膜干涉中应留意的问题
(1)观看的是从膜前、后两表面反射回来的光(眼睛与光源在膜的同一侧)
(2)用单色光照射得到明暗相间的条纹，用白光照射得到彩色条纹．
(3)每一条纹是水平(填“水平”或“竖直”)的．
3．薄膜干涉的应用
(1)用干涉法检查平面的平整度．
(2)光学仪器上的增透膜．

一、杨氏干涉试验
例1　在双缝干涉试验中，以白光为光源，在屏上观看到了彩色干涉条纹．若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，已知红光与绿光频率、波长均不相等，这时(　　)
A．只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消逝
B．有除红色、绿色外的其他颜色的双缝干涉条纹
C．任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮
D．屏上无任何光亮
解析　两列光波发生干涉的条件之一是频率相等．利用双缝将一束光分成能够发生干涉的两束光，在屏上形成干涉条纹，但分别用红色滤光片和绿色滤光片拦住两条缝后，红光和绿光频率不等，不能发生干涉，因此屏上不会消灭干涉条纹，但屏上仍会有光亮，故选C.
答案　C
二、打算干涉明、暗条纹的条件
例2　在双缝干涉试验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6 μm，若分别用频率为f1＝5.0×1014 Hz和f2＝7.5×1014 Hz的单色光垂直照射双缝，则P点消灭亮、暗条纹的状况是(　　)
A．单色光f1和f2分别照射时，均消灭亮条纹
B．单色光f1和f2分别照射时，均消灭暗条纹
C．单色光f1照射时消灭亮条纹，单色光f2照射时消灭暗条纹
D．单色光f1照射时消灭暗条纹，单色光f2照射时消灭亮条纹
解析　判定某处是亮条纹还是暗条纹，关键是看该处到两光源的光程差是该光波长的倍数状况，若是整数倍，该处为亮条纹；若为半波长的奇数倍，则为暗条纹．
单色光f1的波长λ1＝＝ m＝0.6 μm.
单色光f2的波长λ2＝＝0.4×10－6 m＝0.4 μm
可见Δs＝λ1，Δs＝λ2，故用f1照射时，P点消灭亮条纹，f2照射时，P点消灭暗条纹．
答案　C
三、薄膜干涉
例3　用如图5所示的试验装置观看光的薄膜干涉现象，图(a)是点燃的酒精灯(在灯芯上撒些盐)，图(b)是直立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈，将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观看到的现象是(　　)

图5
A．当金属线圈旋转30°时，干涉条纹同方向旋转30°
B．当金属线圈旋转45°时，干涉条纹同方向旋转90°
C．当金属线圈旋转60°时，干涉条纹同方向旋转30°
D．干涉条纹保持不变
解析　竖直肥皂膜是由于重力作用产生的上薄下厚的薄膜，所以金属线圈的转动，转变不了肥皂液膜的上薄下厚的外形，由干涉原理可知，同一厚度处的干涉条纹在同一层次上，所形成的干涉条纹都是水平的，与金属线圈在该竖直平面内的转动无关，仍旧是水平的干涉条纹，D正确．
答案　D

1．(杨氏干涉试验)下列关于双缝干涉试验的说法中正确的是(　　)
A．单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源
B．双缝的作用是获得两个振动状况相同的相干光源
C．光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处消灭暗条纹
D．在光屏上能看到光的干涉图样，但在双缝与光屏之间的空间却没有干涉发生
答案　B
解析　在双缝干涉试验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有唯一的频率和振动状况，双缝的作用是获得两个振动状况完全相同的相干光源，故选项A错误，B正确．在两个相干光源完全相同的状况下，光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处消灭暗条纹，选项C错误．两列光波只要相遇就会叠加，满足相干条件就能发生干涉，所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干涉，用光屏接收只是为了便利肉眼观看，故选项D错误．
2.(打算条纹间距条件)如图6所示，用单色光做双缝干涉试验，P处为其次暗条纹，改用频率较低的单色光重做上述试验(其他条件不变)时，则同侧其次暗条纹的位置(　　)

图6
A．仍在P处 B．在P点上方
C．在P点下方 D．要将屏向双缝方向移近一些才能看到
答案　B
解析　由λ＝知f变小，λ变大．若消灭其次条暗条纹，则P到双缝的路程差Δs＝λ，当λ变大时，Δs也要变大，故其次条暗条纹的位置向上移，在P点上方，B正确．
3．(杨氏干涉试验)一束白光通过双缝后在屏上观看到干涉条纹，除中心白色条纹外，两侧还有彩色条纹，其缘由是(　　)
A．各色光的波长不同，因而各色光分别产生的干涉条纹间距不同
B．各色光的速度不同，造成条纹的间距不同
C．各色光的强度不同，造成条纹的间距不同
D．各色光通过双缝到达一确定点的距离不同
答案　A
4．(薄膜干涉)如图7所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平整的装置，所用单色光是用一般光通过滤光片产生的，检查中所观看到的干涉条纹是由下列哪两个表面反射的光线叠加而成的(　　)

图7
A．a的上表面和b的下表面
B．a的上表面和b的上表面
C．a的下表面和b的上表面
D．a的下表面和b的下表面
答案　C
解析　干涉法的原理是利用单色光的薄膜干涉，这里的薄膜指的是样板与待测玻璃板之间的空气层．在空气层的上下表面反射的光波会发生干涉，观看干涉后形成的条纹是否为平行直线，可以断定厚玻璃板的上表面是否平整．因此选项C是正确的．